生物材料第二章

生物材料第二章第一页，共三十四页，2022年，8月28日特点：高强度，耐疲劳，易加工该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，在需承受高载荷的骨、牙部位仍被视为首选的植入材料.最重要的应用：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等硬组织修复和替换。此外，也是心血管和软组织修复以及人工器官制造的重要材料。第二页，共三十四页，2022年，8月28日目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。第三页，共三十四页，2022年，8月28日2.生物医用金属材料特性与生物相容性医用金属材料应用中的主要问题是：

由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，而后者常常导致材料植入失败。因此医用金属材料要满足临床应用，其首要条件是应具有生物相容性和生物安全性，其次是要有良好的耐腐蚀性及力学性能。第四页，共三十四页，2022年，8月28日（1）金属毒性化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。

①合金化技术，减小或消除毒性例如：医用不锈钢含有有毒的铁、钴、镍，加入2%的铍可以减小毒性，加入20%的铬可以减小甚至消除毒性②表面保护层/提高表面光洁度，，提高耐蚀能力第五页，共三十四页，2022年，8月28日（2）耐生理腐蚀性（均匀腐蚀、点腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等）机械性能、耐磨性与生物相容性第六页，共三十四页，2022年，8月28日人体环境特点体液是质量分数约为1%的NaCl、少量其它盐类及有机化合物的电解质溶液，37C。有人说人体与温暖的海水相似。在人体的不同部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内体液的成分不一样。电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全适用。人体体液环境由体液构成多种多样的电解质溶液第七页，共三十四页，2022年，8月28日均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。大面积发生，以金属离子形式进入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命。点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。均匀腐蚀点腐蚀第八页，共三十四页，2022年，8月28日缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有50%遭受缝隙腐蚀。如接骨板和骨螺钉之间电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。手术时也要注意。电偶腐蚀缝隙腐蚀第九页，共三十四页，2022年，8月28日腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的腐蚀现象。表面微裂纹和缺陷会加剧这种腐蚀，所以可以对植入器件表面抛光提高疲劳寿命。磨损腐蚀是由于植入器件之间反复的相对的滑动所造成的表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。磨损腐蚀造成点蚀坑或颗粒形状的斑疤。磨损腐蚀疲劳腐蚀第十页，共三十四页，2022年，8月28日（3）机械性能与生物相容性强度和模量耐磨性第十一页，共三十四页，2022年，8月28日3.常见生物医用金属材料a.医用不锈钢（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成）不锈钢为铁基耐蚀合金，，尽管其抗蚀性不如钴基合金，但易加工，价格低廉，是最早在临床应用的医用材料。

目前最常用的医用不锈钢材料为超低碳奥氏体不锈钢，316、316L、317L合金元素作用：增加适量的钼（3％～4％），增加材料在氯离子环境中的抗腐蚀能力；Cr,形成氧化物钝化膜，抗蚀；Ni、Cr可以稳定奥氏体结构，Ni含量为12％～14％时，单一奥氏体组织；降低不锈钢中Si、Mn等杂质元素和非金属夹杂物，可进一步提高抗蚀。第十二页，共三十四页，2022年，8月28日不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。实验证明，只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高，因此，不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。制作方法；真空熔炼——纯化生物相容性均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨损、疲劳腐蚀不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。抛光处理，消除易腐蚀和应力集中隐患，提高使用寿命第十三页，共三十四页，2022年，8月28日临床应用一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。人工关节、骨折内固定器械镶牙、齿科矫形、牙根种植、辅助器械心血管植入电极、传感器、人工心脏瓣膜、血管支架眼科固定环、人工眼导线、眼眶填充避孕环、输卵管栓堵第十四页，共三十四页，2022年，8月28日头颅微型钢板第十五页，共三十四页，2022年，8月28日b.钴基合金含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。Co-Cr-Mo奥氏体耐蚀性比不锈钢高数10倍、硬度高1/3临床上主要用于人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。第十六页，共三十四页，2022年，8月28日人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。

第十七页，共三十四页，2022年，8月28日c.钛及钛合金生物亲和性最好、生物活性和骨结合力好临床应用广泛，其质轻、比强度高、弹性模量低、力学性质接近人骨，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。易氧化TiO2（抗蚀、活性）钛合金TC4(Ti6Al4V)（提高力学性能）钛表面处理:渗氮、离子氮化、钝化（提高耐磨和抗蚀性）抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。第十八页，共三十四页，2022年，8月28日主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器、颌人工假肢等。第十九页，共三十四页，2022年，8月28日钛板第二十页，共三十四页，2022年，8月28日d.形状记忆合金

自1951年美国Read等首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为体心立方结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。发现:Nitinol,Ni-Ti+NavalOrdnanceLaboratory第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日形状记忆合金的冷热循环曲线：第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日金属形状记忆效应原理（热弹性马氏体转变）（1）、（5）为母相；（2）～（4）为马氏体相第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日形状记忆合金可以分为三种：单程记忆效应双程记忆效应全程记忆效应

第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。医用Ni-Ti合金为Ti44～46％，Ni54~56%弹性模量约62GPa,与人骨接近(7～30GPa)第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日应用：管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日北京有色金属研究院上海钢铁研究所第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日e.医用贵金属：Au、Ag、Pt及其合金是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。（1）Au及Au合金（用于口腔牙齿的整牙修复；提高强度的金银铜合金）（2）Ag及Ag合金（银汞合金：银铜锡合金粉＋汞，银含量40%~70%,口腔填充材料）（3）Pt及Pt合金（抗氧化、耐蚀，制造的微探针广泛用于神经系统的检测）第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日f.医用钽、铌、锆材料具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针；钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和钽箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。医用钽（Ta）第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日医用铌（Nb）性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。第三十页，共三十四页，2022年，8月28日医用锆（Zr)化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用锆可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日常见医用金属材料特点（优点）纯钛和钛合金

不锈钢钴基合金

形状记忆合金

贵金属

良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵,广泛应用受到限制较硬富有弹性,可起到矫形或支撑作用.其优良的生物相